陳邦穩(wěn)，姜曉君，陸 源，劉鵬亮（.中國聯(lián)通浙江分公司，浙江杭州 3005；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州450007）

1 概述

隨著以互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)為代表的信息經(jīng)濟的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施，2020年4月，習總書記在浙江視察時發(fā)布重要講話中指出：要抓住產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化賦予的機遇，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，抓緊布局數(shù)字經(jīng)濟、生命健康、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、未來產(chǎn)業(yè)，大力推進科技創(chuàng)新，著力壯大新增長點、形成發(fā)展新動能。

一個具有競爭力的數(shù)據(jù)中心，不僅體現(xiàn)在低PUE、安全性和先進性，還體現(xiàn)在如何盤活有限資源、實現(xiàn)快速交付、降低投資風險、提高綜合效益等方面的考量，以及適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展和市場競爭的能力，相對于已建成的標準化的數(shù)據(jù)中心，在面對客戶定制化需求時，其優(yōu)勢更為突出。

本文以中國聯(lián)通浙江省某大型數(shù)據(jù)中心基地為應(yīng)用實例，該中心包括DC1、DC2 和DC3 共3 棟數(shù)據(jù)中心樓，1 棟110 kV 變電站、1 棟維護綜合樓，預留第4 棟樓位置。根據(jù)客戶定制IDC 標準和要求，需分別為DC3 和DC1 配置獨立的應(yīng)急柴油發(fā)電機后備供電系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含12+1 套10 kV 1 800 kW 室外廂式柴油發(fā)電機組、1 套10 kV 并機系統(tǒng)、1 套50 m3地埋油罐系統(tǒng)、1 套假負載等。客戶要求從IDC 商務(wù)鎖定到項目OS交付，整個周期不超過6個月。

在此背景下，為了充分利用機房空間規(guī)劃IDC 機柜，提高項目的投資效益，同時滿足交付目標要求，項目采用了雙層鋼構(gòu)、模塊堆疊、室外廂式10 kV 柴油發(fā)電機組及并機系統(tǒng)的建設(shè)方案。

在客戶定制之前，本項目已按標準化數(shù)據(jù)中心完成了大樓土建、基礎(chǔ)機電和場院配套等建設(shè)，由于基地規(guī)劃時未考慮設(shè)置柴油發(fā)電機組的室、內(nèi)外場地，如按常規(guī)模式進行建設(shè)則需占用DC 樓內(nèi)機房空間或平鋪室外空間，這將影響整個項目的經(jīng)濟評估。

現(xiàn)有每棟DC 樓滿足安裝柴油發(fā)電機組的層高和承重要求的只有一層剩余約1 800 m2空間，如用于布置室內(nèi)柴油發(fā)電機則每個DC 樓將減少8 kW 機柜約300 個，同時還需對大樓的結(jié)構(gòu)和布局進行改造，影響項目交付。綜合考慮油機安裝位置、消防通道、儲油罐、高壓纜溝和建筑紅線等因素，擬建設(shè)雙層鋼構(gòu)室外廂式柴油發(fā)電機組來滿足項目需求。鋼結(jié)構(gòu)可以在工廠加工后再在現(xiàn)場拼裝，整體效果具有現(xiàn)代科技感；模塊化的室外廂式油機可以工廠化定制，按負荷需求進行模塊化擴容和并機，部署靈活、快速。

2 建設(shè)方案

2.1 鋼構(gòu)平臺建設(shè)方案

雙層鋼構(gòu)平臺采用鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用天然地基+獨立基礎(chǔ)，框架柱截面形式為箱型焊接鋼柱。主梁與框架柱、主梁與次梁、次梁與次梁均采用螺栓連接，主梁與框架柱剛接，次梁與主梁、次梁與次梁鉸接。鋼構(gòu)件在制作完畢后進行除銹、防腐涂層處理，工程耐火等級為二級。

2.2 柴發(fā)系統(tǒng)運行方案

東、西側(cè)鋼構(gòu)平臺組成2 套12+1 油機并機系統(tǒng)，分別向?qū)?yīng)高壓柜供電。柴發(fā)控制系統(tǒng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，當其中一臺控制器的通信線纜斷開時，可觸發(fā)冗余PLC 同步數(shù)據(jù)，整個控制系統(tǒng)的通信不受影響，切換后的主控PLC 繼續(xù)與13 臺機組通信，并在主控及冗余控制板顯示報警。當同步監(jiān)測通信斷開時，主控PLC 可以通過通信網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)與冗余PLC 進行數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)雙重熱備鏈路與雙重保障。

主控柜與冗余柜之間可進行控制權(quán)限切換，任一主控柜故障時，冗余柜可自動接管權(quán)限并發(fā)出報警?？刂乒裰С諶S-485 接口，采用MODBUS 協(xié)議可和上位機通信，實現(xiàn)機組的監(jiān)控。

a）自動運行模式。當2 路市電停電，由市電油機轉(zhuǎn)換開關(guān)的市電側(cè)發(fā)出柴油發(fā)電機組啟動信號，在收到啟動信號后，發(fā)電機快速啟動后并機，通過發(fā)電機斷路器連接到應(yīng)急母線。發(fā)電機允許3 次10 s 的啟動嘗試，每次啟動間隔10 s。當3 次啟動嘗試全部失敗后，起動超時閉鎖功能。收到啟動信號后40 s內(nèi)，整個柴發(fā)系統(tǒng)完成機組啟動、合閘、輸出供電等全部動作。市電油機轉(zhuǎn)換柜與聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間具備機械和電氣聯(lián)鎖功能，確保不會同時有2 路電源為同一高壓母線段供電，避免電源“撞車”風險，提高系統(tǒng)可靠性。當市電恢復時，市電油機轉(zhuǎn)換器收到市電信號，檢測市電運行正常后，系統(tǒng)經(jīng)過可調(diào)整的時間延遲，自動將所有負荷切換回正常電源。發(fā)電機斷路器同時斷開，柴油機將在無負載情況下運行0～30 min，時間可以通過控制器調(diào)節(jié)。

b）手動運行模式。當控制器處于手動模式時，整個應(yīng)急柴油發(fā)電機系統(tǒng)處于手動狀態(tài)，由柴油發(fā)電機選擇開關(guān)控制機組的啟動和停止。保護功能在手動運行和自動運行時均有效。

3 流場模擬驗證

流場CFD 模擬對集裝箱機組分布進行流場分析計算，分析了開放式環(huán)境下的集裝箱周邊的氣體流場，包括壓力云圖、流線圖等。通過計算結(jié)果驗證機組的通風與氣流滿足回風溫度要求且不會相互干涉。流場分析采用軟件Star-CCM+（目前國際上比較流行的商用CFD 軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動）。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而Star-CCM+能達到最佳收斂速度和求解精度。

計算結(jié)果包括總壓分布、速度矢量圖與局部云圖等。

3.1 計算域模型

3.1.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點建立流通計算模型，三維幾何模型的構(gòu)造采用inventor 軟件。根據(jù)現(xiàn)場條件，從俯視圖來看，機組每層由7組并排布置，對于流場影響最大的為中間機組，根據(jù)對稱性原則，建立1/6 三維幾何模型作為分析區(qū)域。

3.1.2 邊界類型及數(shù)值設(shè)定

a）壁面：采用默認的無滑移固壁邊界。包括地面、進風端附近建筑墻體。

b）進風口：集裝箱進風口，采用速度流量進口，柴油機進風參數(shù)2 714.5 m3/min，根據(jù)進風面積，計算進風口流速約為5.8 m/s，由于存在進風百葉，進風角度為45°。

c）排風口：集裝箱排風口，采用速度流量出口，柴油機排風參數(shù)2 254 m3/min，根據(jù)排風面積，計算排風口流速約為3.5 m/s，由于存在排風百葉，排風角度為45°。

d）排煙口：柴油機排煙口，采用速度流量出口，柴油機排煙參數(shù)425.9 m3/min，排煙管道通徑406 mm，計算排煙口流速約為54.8 m/s，溫度為480 ℃。

e）開放邊界：為模型頂部以及排風方向邊界，設(shè)置自由邊界條件。

f）對稱面：由于采用機組中間1/6 作為局部分析模型，模型間采用對稱面邊界條件，亦可用作縱切面觀察面。

g）橫切面：為了觀察計算結(jié)果，在進排風口水平中線位置設(shè)置橫切面，作為橫切面觀察面。

3.2 數(shù)值模擬

數(shù)值仿真的基礎(chǔ)是求解三維可壓縮湍流邊界層的偏微分方程組，它是在流動基本方程（N-S方程）的控制下進行的流場數(shù)值模擬，從而得到流場內(nèi)各位置上基本物理量的分布以及隨時間的變化情況。

3.2.1 控制方程

流體流動受物理守恒定律的控制，忽略質(zhì)量力的可壓縮黏性氣體的N-S方程組描述如下：

連續(xù)方程

動量方程

能量方程

3.2.2 湍流模型

湍流模型的選取對流場及溫度場的準確性影響很大，本文采用標準湍流模型的修正方程Realizablek-ε，其具有較好的收斂性，適用范圍廣、經(jīng)濟、精度合理，在工業(yè)流場和熱交換模擬中應(yīng)用廣泛。它是一個從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的半經(jīng)驗公式。

3.2.3 數(shù)值解法

采用有限體積法對控制方程進行離散，由于有限體積法是通過離散守恒方程的積分形式來獲得離散化方程的，所以能保證得到的離散化方程是守恒的。離散格式應(yīng)用了二階迎風格式?？刂品匠糖蠼鈶?yīng)用壓力修正法——SIMPLE 算法，該算法廣泛應(yīng)用于流動和傳熱過程，應(yīng)用隱式方案的分離式求解器。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 壓力場

集裝箱機組的通風與排煙，會影響周圍開放環(huán)境的壓力分布。圖1 和圖2 是排風和排煙對環(huán)境壓力的影響，以及是否直接影響進風系統(tǒng)外部壓力場的分布分析。

圖1 集裝箱機組上下層和集裝箱左右流場圖

經(jīng)過分析計算，排煙系統(tǒng)對于排煙側(cè)10 m 內(nèi)壓力影響較大，未對進風口產(chǎn)生影響。排風系統(tǒng)對于排風口2 m內(nèi)壓力產(chǎn)生影響，未對進風口產(chǎn)生影響。

3.3.2 速度矢量以及流線

速度矢量圖是用來描述速度的方向和大小，根據(jù)圖紙所示通風系統(tǒng)以及排煙系統(tǒng)的速度條件，計算出速度矢量圖。集裝箱機組排氣分布圖和矢量圖如圖3所示，其中速度矢量圖的顏色代表流速大小。

圖2 集裝箱機組上、下層流場矢量圖

由圖3 可知，排煙系統(tǒng)氣流走向全部朝向廠界方向，未有回流流向進風端。排風系統(tǒng)氣流大部分朝向廠界方向貼近地面方向流動，側(cè)面排風有局部氣流流向箱體中間。進風系統(tǒng)氣流絕大部分由集裝箱上部大氣提供，下部機組偶見部分氣流來源于上部側(cè)排，影響很小。

圖3 集裝箱機組排氣分布圖和矢量圖

3.3.3 溫度場

溫度場是來描述集裝箱機組周圍溫度分布，從中可查看排煙和排風系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫度是否影響到進風氣流。

計算溫度場結(jié)果如圖4所示。排煙系統(tǒng)溫度影響范圍主要在廠界端面，對進風系統(tǒng)溫度沒有影響；如橫切面溫度場所示，排風系統(tǒng)溫度對底層進風系統(tǒng)溫度偶有部分影響，溫度最大影響值在10℃以內(nèi)。

圖4 集裝箱箱體之間的溫度分布圖（橫切）

3.4 結(jié)論

根據(jù)對集裝箱機組布置進行的自由流場分析，即壓力、速度矢量、流線以及溫度的分布分析，得出以下結(jié)論：機組的排煙系統(tǒng)和廠界方向的排風系統(tǒng)直接排放于廠界方向，與進風系統(tǒng)不會相互干涉，不會引起氣流回流。進風系統(tǒng)絕大部分氣流來源于頂部和側(cè)面自由端，側(cè)向排風偶有氣流流向進風端，但造成的壓力和溫度影響較小。

4 總結(jié)

本項目最大限度地發(fā)揮了現(xiàn)有DC 樓的產(chǎn)能，在每個電力容量2萬kVA、建筑面積1.5萬m2的中國聯(lián)通標準DC 樓內(nèi)產(chǎn)出平均功率8 kW 機柜1 738 個和4 kW接入機柜60 個；使有限的室外空間得到充分的利用，在72畝的園區(qū)設(shè)置4個標準的DC 樓、1棟維護樓、1個變電站及動力配套設(shè)施，空間利用率在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心行業(yè)內(nèi)處于前列。

本案例中DC1、DC3 客戶定制項目采用租電分離模式，DC樓整體交付后即已產(chǎn)生收入。由于采用室外化油機建設(shè)方案，使每個DC 樓多產(chǎn)出8 kW 定制機柜約300個，僅此一項每年增加裸機柜收入在3 100萬元以上。

快速交付能力也是數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)發(fā)展中的一項關(guān)鍵競爭力。采用非永久性的鋼結(jié)構(gòu)替代永久建筑可以免除城建規(guī)劃報批手續(xù)；鋼結(jié)構(gòu)平臺可以采用工廠預制、現(xiàn)場快速拼裝，使鋼結(jié)構(gòu)制作與基礎(chǔ)土建施工可并行推進，這在縮短工期、快速部署上具有較大優(yōu)勢。本案例從客戶鎖定需求到OS交付，剔除春節(jié)長假和雨雪天氣停工，整個工程建設(shè)周期為3個月。

室外廂式油機及并機柜系統(tǒng)通過工廠化定制、廠內(nèi)安裝，成品運輸?shù)浆F(xiàn)場直接吊裝，為后續(xù)設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試節(jié)省了一半以上的時間，同時模塊化的油機可以根據(jù)負荷的增長按需進行并機擴容，降低項目投資風險。

應(yīng)急備用柴油發(fā)電機組的投資約占數(shù)據(jù)中心投資的1/5，單套室外油機的造價約300 萬，本案例根據(jù)客戶實際IT 運行負荷與定制要求差距，預留了油機庫容的接口，采用一次規(guī)劃，按需實施的模式，當期少配了2 套1 800 kW 的柴油發(fā)電機組，減少投資600 多萬元。

采用10 kV 中壓油機解決了數(shù)據(jù)中心建設(shè)中多臺低壓油機并機和機組冗余設(shè)置的難題，同時采用10 kV 中壓供電降低了輸電線纜的成本和輸電損耗。本案例的室外廂式柴油發(fā)電機組與10 kV 的并機系統(tǒng)近距離設(shè)置可節(jié)省樓內(nèi)并機機房面交約200 m2、減少并機地埋管道、高壓電纜20 余條，降低了土建造價20 余萬元，總體節(jié)省造價達100多萬元。

創(chuàng)新技術(shù)輔以先進工具模擬和事后驗證，是項目取得成功的關(guān)鍵因素。采用堆疊廂式油機必須要關(guān)注場院內(nèi)建筑體、上下層廂式油機之間、平層油機之間在夏季高溫季節(jié)最不利風向情況下進風及排煙的可靠性和可用性，不影響機組的輸出功率。

本案例通過CFD 模擬驗證了最不利環(huán)境時的全部油機整體運行情況，確保油機日后長期穩(wěn)定運行，項目開通后通過了第三方的帶載試驗。

定制廂體既要考慮內(nèi)部空間緊湊和整個鋼結(jié)構(gòu)的布置空間，也要滿足各箱體進排風氣流通道和流量以及后續(xù)維護的便捷性。

本案例油機廂體采用平鋪臥式輔助油箱和后部+后部側(cè)向進風口設(shè)置，來滿足箱體內(nèi)部的進風面積。在廂體內(nèi)采用吊掛安裝氣體消防鋼瓶，提高柜體內(nèi)部的操作空間，超寬定制的并機柜體，與油機箱體在形式上和諧統(tǒng)一。工廠化一體成型方式成功通過了后期的長途運輸、吊裝、調(diào)試的考驗。

先進的設(shè)計理念、現(xiàn)代化的科技氣息、嶄新的景觀效果對于提升數(shù)據(jù)中心的形象和地位具有非常重要的意義，對于業(yè)務(wù)開展和項目在當?shù)卣匚惶嵘材芷鸬椒e極作用。

本案例采用簡約美觀的鋼結(jié)構(gòu)平臺配以模塊化的廂式油機和并機柜，采用地埋式室外油罐有效減少對于場地的占用，同時場地可以更加整潔，空間可以復用，大大提升了基地的客戶感知度，對基地后續(xù)引入政企類客戶和IDC盈利能力的提升做出貢獻。